CN1076767A

CN1076767A - 高低温流股混合自动恒温阀

Info

Publication number: CN1076767A
Application number: CN 91111379
Authority: CN
Inventors: 宋克
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 1993-09-29

Abstract

本发明是通过高低温流股混合以获得所需温度的自调节恒温装置。用以解决现在人工调节所带来的调节质量差、费时费料费能源问题。它是用等压器的流体压力负反馈系统控制高低温流股不断变化的流体压力使其在混合前压力相等，然后，再用轮形多辐条式双金属片组传动关联阀动作的温度负反馈系统使混合后流体温度恒定的。该装置比现有双阀门人工调节省时省料节能，同时也可省近一半的现技术必需的流体输送管道与阀门。

Description

本发明是关于高低温流股混合自动控温的装置，由于通过将高低温两流股混合以获得所需温度流股的技术，已应用在许多领域，所以它不是某一专业技术，而是一个共性的问题。它是利用双金属片受热弯曲呈线性规律变化的性质来驱动关联阀门2，调节经等压器控制的高低温双流股的流量比，从而达到恒定温度的目的。等压器是利用二流股输入压力的变化产生的压差，作为负反馈信号来驱动关联节流阀动作来消除这一压差，从而实现两输出压力相等的目的的。等压器为双金属片组调温系统提供相等的压力环境，使该系统的对线性流量比调节得到保障。

现在淋浴、浴洗、槽浴、或池浴的温度调节是通过拧动两个冷热水开关或蒸气与冷水开关来进行的，既烦琐又难以调节到适宜的温度，因为来自锅炉的蒸气或热水的温度与压力在不断改变，同时冷水的压力也随时改变。在化学与其它领域的实践与生产中也往往存在热水浴、温水浴、油浴、蒸气浴等需要恒定温度的问题，人们也常常通过手动的办法来调节，费时费料而且效果不佳。在生产领域中也存在同类问题。为解决此类问题，人们又倾向于运用诸如电子信息反馈，微积分调节等自动方式，这又导致结构复杂与设备庞大，因而不经济。本发明旨在解决普遍存在的这一技术问题，使这类由高低温两流股相混合的自动恒温装置简易化、实用化、宜于普及。

本发明是这样实现的。把由两种温度膨胀系数相差很大的金属片结合起来的双金属片成双结合串联成组。它们在温度升高时主动层向被动层弯曲变形从而导致每组中相对的两个双金属片以简支梁的形式向外产生位移。位移与温度差在双金属片其它几何特征如厚度S，长度L与材质（如弹性横量E）等一定的情况下成正比例关系，f＝K（T-T_o）＝K△T（K为系数。基于此，我们使用了关联阀（它在增加一股流量时却减少了另一没流量），把双金属片组产生的位移变换成关联阀的二股流量之比的变化。由于关联阀杆在一定位移下两个阀孔增加和减少的面积相等，这就要求两流股的压力相等，从而达到混合流股恒温的目的。为此，我们又使用等压器来控制双流股的压力。等压器是将输出及输入压力任意变化的两流股进行调节使它们输出压力总相等的装置、它是利用两个平衡式阀门芯结构来协同作用的。如图1所示，当两流股输出压力相等时，膜片左右两侧受力平衡，膜片与关联节流阀静止。反之，当两侧存在压力差时，作用在膜片上的压力差使关联节流阀动作。该压力差会将阀杆推向输出压力小的一方，从而使该方的节流阀孔增大其输出压力也增大，而使另一方节流阀孔变小，结果使压力差减少。这种负反馈作用一直进行下去，直到压力差A△P≤f₁+f₂（A为膜片有效作用面积，△P为压力差，F₁+F₂为阀芯作用的摩擦阻力）。总之，这两种负反应过程的作用都使压力差△P减少，直到为零。由此可见，等压器是通过两个途径来消除或减少△P的：一.对首先变化压力的一方通过负反馈使其自身增益的趋势减少，这种作用实际上是试图绊住其变化的“脚”;二.使另一流股“追赶”这个压力变化，这样的动作将一直进行下去，直至达到其误差范围内。对等压器的性能分析，为提高灵敏度可采取以下措施：1.增大膜片有效作用面积;2.减少阀芯及阀杆质量并让等压器采用卧式;3.减少动作系统的摩擦系数，使阀芯、阀杆光洁度高。

附图说明：图1.高低温流股恒温阀装配图.

图2.双金属片正视图和右视图.

图3.阀座正视图，右视图和俯视图.

图4.复位板正视图和右视图.

图5.关联阀杆2的正视图和右视图与俯视图和右视图.

图6.（a）阀芯2的正视图和右视图.（b）阀芯1的正视图和俯视图.（中图）关联阀杆1的正视图和俯视图.

图7和图8.垫片的正视图和俯视图.

图9.节流阀1的正视图的俯视图.

图10.调温套柄的俯视图正视图.

图11.分室板的俯视图和正视图.

图12.调位螺套的正视图和俯视图.

图13.阀体的正视图和俯视图.

图14.调位旋钮的俯视图和正视图.

图15.等压器左阀体的正视图和俯视图.

图16.等压器右阀体的正视图的俯视图.

图17.等压器采用活塞式结构时的活塞的正视图的俯视图.

图18.采用活塞式结构时的等压器左阀体的正视图.

图19.采用活塞式结构时的等压器右阀体的正视图.

图1中的各种部件名称：1.低温流股输出管;2.阀芯1;3.调位旋钮;5，23封漏环;6.关联阀杆1;7.紧固螺栓;8.节流阀1;9.等压器右阀体;10.反馈孔1;11.膜片;12.传压螺丝;13.反馈孔;15.节流阀2;16.阀芯2;17.复位弹簧;18.高温流股输出管;19.等压器左阀体;20.锁定螺钉;21.调温套柄;22.分室板;24.等压孔;25.垫片;26.双金属片组;27.阀体;28.复位板;29.复位弹簧;30.关联阀杆2;31.阀座;32、33.梢;34.调温螺套;35.封梢环。

图2.为提高双金属片对温度的灵敏度，其应有下列特点：

1.直径尽量接近阀体直径，让流体不短路;

2.采用轮形多辐条式，流体从辐条间隙通过;

3.主动层的内边和被动层的外边缘皆半边折起，折起所沿直径位置有两种：一种与辐条中心线重合，另一种与扇形通道中心线重合。同一双金属片的两层折起应本着同一轴，同一侧。两种折起的双金属片安装后应使用沿不同轴折起的双金属片相临，通道与通道错开，使流体在任何温度下皆可充分绕行与辐条接触，且使该错开秩序在运输与使用中因折起的相互啮合而稳定不乱。（图中a′b′轴与c′d′轴分别为两种指定的辐条，最好为偶数条）。

4.依简支梁型双金属热移位：f＝K△T.L²/4S（其中K为比弯曲℃^0.1）f挠度（mm）。△T温差，L为跨度，S厚度可知：要提高灵敏度，应增加双金属片直径或减少其厚度。（此处，对轮形双属片而言L²＝D²-D¹²，即：为外内径平方和之差。）

为提高双金属片对关联阀的驱动效果，应减少复位弹簧的刚度及提高关联阀杆2与阀座接触表面的光洁度。依双金属片热推力公式：P＝K（T-T0）EBS/L，应保证：P≥F+f。即热推力不小于任一瞬间摩擦力与弹簧力之和。

双金属片的造型由冲床冲压面成。其材质的选择应依工作介质的物化特性对它的要求，如防锈、防蚀等。

图3、图5及图13分别为阀座、关联阀杆2及阀体结构图。它们的装配情况见图1，它们与双金属片组（图2）及复位弹簧（图1-29）组成了对高温流股的温度变化的负反馈系统。等高温流股温度升高时，双金属片组膨胀并克服弹簧力而使关联阀杆2左移使高温流股流量变小，低温流股流量变大，从而达到混合后温度的恒定。为使调节动作有好的阀孔面积线性变化的保障，它们应满足：阀孔的尺寸与间距在阀座、阀体关联阀杆2上的位置说明见说明书第5页，这样可在高温流股温度低于恒温流股的预定温度时可将关联阀杆2的低温流股阀孔封闭。用梢（32，33）固定阀体，阀座与关联阀杆2三者间的相对位置在关联阀杆2处的梢（33）被封梢环（35）封入梢槽内，见图1。同时，在安装双金属片组时，用垫片（图7）将它们垫平，见图1之25，以使它们施力受力均匀。复位板（图4）与复位弹簧的安装情况见图1之28、29。关联阀杆2底端有一小孔与其上阀孔相通以使关联阀杆2动作不因阀杆底部被封的小桶内压力弯化而影响动作灵敏度。

为提高恒温精度，应在实验基础上根据规格来确定各阀孔大小与它们之间距等尺寸。两阀孔的形状特征方程分别是（见“说明书”第5页）

目标温度的确定由调温套柄（21）图10，等压器左阀体（19）图15，阀体及锁定螺钉（20）来完成。旋转调温套柄，使等压器部分与阀体部分相对移动，在复位弹簧作用下关联阀杆2左右移动来改变两阀孔的开度比，使高低温流股流量比发生变化就可令混合温度达到目标温度。为此，在调温套柄（21）内壁与阀体外部以螺纹连接，在调温套柄与等压器左阀体（19）之间，用在等压器左阀体的环形轨道内可以自由滑动的锁定螺钉联接并通过调温套柄相对于阀体的转动来调节等压器左阀体相对于阀体的相对位置来调节关联阀杆2的移动去改变恒温流股温度直至目标温度。锁定螺钉兼有固定它们的相对位置而起的固定恒定温度的功能。安装在调温套柄上的耐高温的绝缘体套把是防烫手的。而等压器左阀体与阀体滑动处封漏环（23）是为了该系统的密封性。

等压器由膜片（11）一分为二，而由两个紧固螺栓连为一体。等压器右阀体、调位旋钮（3），阀芯1，2（2，16）节流阀1（8）反馈孔（10）关联阀杆1（6）构成了右半部分。左右两半的工作原理相同，结构对称，以膜片为界。在膜片中央开孔让关联阀杆1通过，并用螺母片将膜片与关联阀杆1固定在一起，并使两侧不通。两侧压力差使膜片驱动关联阀杆1推动两阀芯。压力大的一方将关联阀杆1推向压力小的一方使该方节流流阀孔开大使其输出压力增大，而由于关联作用使压力大的一方节流阀孔变小命使其输出压力减小。依此，负反馈作用最终使压力差消除方使膜片平衡。由于是直接调节，这一连串过程在瞬间完成。由于反馈孔的作用使原先压力变化了的输出压力的改变受到缓冲或阻尼。如果某一方压力持续减少直至为零，则对方压力推动膜片及关联阀杆1自动关闭对方自己的流量，或变致使其输出压力为0。相反，如果已减至零的压力后又有所增益，则对方关闭了的阀门会逐渐打开以保持等压力输出。故此，该系统具有自停自开的功能。阀芯1，2的平衡式结构可由图1，图6（a，b）看出，阀芯的上下有效受力面积相等且压力皆为输出压力是因为阀芯1由关联阀杆1内的细孔传压，而阀芯2是由等压孔（24）来传压的。在调位旋钮、低温流股输出管（1）、及等压器左阀体与阀体连接处有多处封漏环起防漏作用，它们由橡胶等密封性良好的材料制成。选取配件时应着眼于提高压力调节灵敏度，因此应使膜片直径大，阀芯、关联阀杆1接触处应有足够的光洁度。另外，分室板（22）作用不可忽视，它使膜片真正地感受到静压力的作用。为使该装置用于更广泛的场合，如压力、温度、范围等，膜片亦可用活塞结构代替。（说明见第6页）

以上各部件除双金属片针对工作介质特殊选材外，其它大部分应以不锈钢等为材料。调温套柄应通过铸塑或粘合等方法将钢部件与塑料或橡胶等热绝缘材料结合，其它皆由车铣床等设置加工。

本发明具有调温的流量特性的恒定性，即在它负载流量变化时能保持输出温度的恒定。因负载流量的变化只会在等压器的作用下高低温流股流股量的等比例变化对输出温度无关。

由上述结构可知，本发明对温度的调节无滞后，反应灵敏，动作平稳无噪声，且有自停自开系统，为安全使用提供了保障。本阀操作简易，又有广泛的用途（诸如在公共设施、卫生保健、科学实验、生产实践中等皆可因滑而造）故适宜于普及。由于代替了人工的调节，提高了调节质量，更重要的是省时省料，因为它节约了人工对温度变化的调节过程中不合格的温度输出与人工反应时间。如果在各个领域得以运用，它为人类节约的时间与用料总量必将是非常可观的。由于高温流股载有大量热能，因而它实质上是一种节能装置。从选材与加工来看，它的造价不会高，因而价廉实用。在公共淋浴室，可以用它的一个具体应用-冷热水混合自动恒温阀总管温水的干线输出-只需在各淋浴器上安装一个调节流量的阀门。这样可省去为数一半的流量调节阀门和一半的冷水输送管道，同样也可省浴池中的蒸气和冷水的一半输送管道。因为它也可制造成蒸水汽水混合自动恒温阀。依此类推，高低温流股混合自动恒温阀，为社会带来的经济效益必将随着它不断拓宽的应用范围而施惠于各个领域，因为它会带来更多的生产新工艺和人们更新的生活方式。

补充说明：关联阀杆2的两个阀孔形状特征方程要根据高低温两流股的流体特性而定。当二流没为同相流体（气体或液体）时，其方程为：

第一种：令关联阀杆2轴向方向为x轴，垂直于X轴为y轴，则高温流股阀孔方程为：

x₁＝0，y₁＝0且x₂＝L，y₂＝d

低温孔：

y（f）＝2sd（L-2f）/nk（D²-D¹²）（T-T₁）（f∈[0.1/2L]

第二种：高温孔：（x-a）²/a²+y²/^b2＝1

低温孔：

y（f）＝-4S/nk（D²-D¹²）（T-t₁）·{abarcsin（1-f/2a）^0.5+（b-f/a）（bf/2a）^0.5+（b²-bf/2a）^0.5+ab/2（1-f/2ab）^0.5-bf/4a[（b-f/2a）（2a/bf）^0.5+1/（b²-bf/2a）^0.5]+C}，

f∈[0，2ab]，且f＝k.n（t-T）（D²-D¹²）/2S

上式中各字母意义：n，双金属片对数;T，t分别为恒温流股与高温流股温度;t_L，低温流股温度，K;a，b分别为椭圆长、短轴长;L，d分别为矩形长宽;o定积分常数，由实验确定。其它字母参见以前。

这两种之中较第二种为佳。开孔的方法可以是由电火花打孔，也可由精密铸造法铸成。

等压器采用活塞结构取代膜片可使之使用于更宽广的温度，压力与工作介质变动范围，其结构件见图17（活塞），图18，19（等压器左右阀体）。活塞体装配在由等压器左右阀体组成的空腔内，并与关联阀杆1由螺纹连接。在等压器左右阀体之间用垫片来密封其中的流体。图18.19为等压器左右阀体的主视图，其俯视图分别与图16.15所示的等压器左右阀体俯视图相同。垫片可用橡胶，而活塞结构替用不锈材料制成。

Claims

1、一种高低温流股混合自动恒温阀，它是用等压器的流体压差负反馈系统控制高低温流股使它们在混合前的压力相等，再用以双金属组为核心的温度负反馈系统对高温流股的温度变化用关联阀重新分配二流股混合时的流量比，从而使混合后温度恒定，其特征是：

1.1等压器两流股的压力变化所产生的压力差驱动膜片使其传动关联节流阀对该压力差产生负反馈作用的机构。

1.1.1关联节流阀由关联阀杆1和两个平衡式阀芯结构组成。

1.1.2每个阀芯的左右两面皆受输出压力的作用，且受力平衡，阀芯仅受摩擦力F，和关联阀杆1的作用力下，其平衡时：F=f1+f2，其中f1为左阀芯的摩擦阻力(当阀体采用卧式时重力与支持力相等而不对阀芯的动作产生影响)，F=A(P1-P2)。

每个节流阀芯的底部由导压孔与输出流体相通。各输出流股的流体压强，即静电压力，A△P由压差引起的膜片对关联阀杆1的驱动力F，由A△P=f1+f2可见关联节流阀的动作与各流股输入压力无关。

1.1.3膜片每侧用反馈孔来将各流股静压力传给膜片，并在膜片上进行比较，膜片传动关联阀杆1向压力较小的一侧移动从而开大该侧阀孔使输出压力升高，同时关小另一侧阀孔使其压力降低，最终使两侧压力差为零，因此该系统为负反馈系统。

1.1.4.阀芯动作结构表面应有足够高的光洁度，以提高灵敏度，减小调节误差，因为压力差只有克服总摩擦团才能开始动作，A△P≥∑f，即△P≥∑f/A等压器呈中心对称结构。对称轴膜片每侧皆分为三室：输入流体室，一个输出动压室，(关联节流阀结构所在)一个输出静压室，后二者靠反馈孔相通。

1.2以双金属片组为核心的温度负反馈系统由双金属片组，关联阀杆，2，阀体，阀座，复位弹簧及复位板，调温套柄组成，其特征是：

1.2.1双金属片组中的每个双金属片呈轮形结构，有多个均匀分布最好偶数个呈中心辐射状扇形流体通道和双金属片辐条，其中心为关联阀杆2串孔，沿串孔有一半主动层内沿呈半环形带折起，折起和未折起的分界线有两种：一种沿辐条中心线，一种沿扇形通道中心线，而在双金属片的被动层外沿也一半折起，其分界线与主动层内沿折起的分界线重合，仍像主动层一样，其分界线位置也有两种。

1.2.2双金属片组串联时应将扇形通道与扇形通道错开，将折起分界线不同的双金属片相临放置，并在串联两端用有半片折起的垫片将它们垫平。

1.2.3双金属片的轮形结构是由冲床冲压轧成。

1.2.4关联阀杆2的两上阀孔形状的特征方程分别是：x₁=0x₂=1

1.2.4.1高温孔：Y₁=0且Y₂=d低温孔：Y(f)=[2sd(1-2f)]/[nk(D²-D/²)(T-t₁)](f₁+f₂)[0.1/2]

1.2.4.2或高温孔：(x-a)²/a²+y²/b²=1低温孔：

y(f)=4s/[-nk(D²-D/²)T-t₁](abarcsin)(l-f/2a)^1/2+(b-f/2a)(bf/2a)^1/2

[b²(bf/2a)]^1/2+ab/[2(1-f/2ab)^1/2]-bf/4a[(b-f/a)(2a/bf)^1/2+1/(b²-bf/2a)^1/2fc)f[0.2ab]且f nk(t-T)(D²-D/²)/25

1.2.5复位弹簧与复位板在双金属片收缩时将关联阀杆2弹回。

1.2.6调温套柄呈圆管形，其内壁与阀体用螺纹连接，与等压器可在等压器环形槽规中滑动的安装在调温套中的锁定螺钉来调节关联阀杆2与阀体，阀座的相对位置来寻代目标温度。

2、根据权利要求1所述的装置，其中的等压器特征是：

2.1.阀贡为空心结构，其摩迭面应有足够的江洁度。

2.2.膜片的有效作用面积应尽可能大，由耐热性良好的弹性材料制成，其传动结构是在膜片中央为关联阀杆1开孔，然后用螺母片将它们固定起来。

2.3.膜片则用分室板或类似结构各侧流股压力通过反馈孔转化为静压来发出负反馈信号的。

2.6.膜片可用活塞结构代替。

3、根据权利要求1所述的装置，其中所述的温度负反馈系统特征是：

3.1关联阀杆2与阀座、阀体的接触表面有足够的光洁度，复位弹簧有足够小的刚度。

3.2.整个阀体应采用臣卧式。

4、用权利要求1所述的高低温流股混合自动恒阀所制造的自动调温节能喷淋器。

5、用权利要求1所属的高低温流股混合自动恒温阀制造的澡塘、浴槽用蒸汽水混合自动调温温水阀。

6、用权利要求1所述高低温流股混合自动恒温阀-制成的实验，生产用蒸汽-水或冷热水混合自恒温槽。